CN101814714A - 具有线路异常检测功能的负荷控制断路器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种具有线路异常检测功能的负荷控制断路器，其包括一断路器本体，还包括：一电压采集单元，其从所述的电力线路上获取各相线实时的电压信号并转为电压取样信号；一电流采集单元，其从所述的电力线路上获取各相线实时的电流信号并转为电流取样信号；一处理单元，其将与各相线对应的所述电压取样信号以及电流取样信号分别转换为实时的电压值和电流值，并分别与预先设置的电压阈值和电流阈值进行比较，在预先设定的延时时间内，始终存在高于所述的电压阈值和电流阈值任意之一的情况时，输出一控制信号；一执行单元，其获取所述的控制信号后，使所述的断路器本体产生断路动作。

Description

具有线路异常检测功能的负荷控制断路器

技术领域

本发明涉及的是一种断路器，特别涉及的是一种能够对过压、过流和短路故障进行检测，并准确断开电路的负荷控制断路器。

背景技术

断路器是电力工程中比较重要的一种耗材，随着电力技术的不断发展，断路器也不断的推陈出新，目前用户对电路器的要求主要集中在高安全性和可靠性上，并期望通过电气技术的发展进一步增加和完善断路器的各种功能。

请参阅图1A、图1B所示，其为现有断路器的内机械部立体结构示意图和A-A向剖视图；其包括壳体1，以及内部的执行机构，其通常包括：三条相线和一条零线，分别和断路器的进线端41和出线端41压线块电连接，内部设置有断路动作机构22用以通过旋柄21的旋转动作，实现动触块52和静触块51之间的接触和分离，进而达到断路器的通和断的功能，其中，所述的断路动作机构22包括一个拨动转块221，一电磁脱扣器3，设置于所述的拨动转块221下部，其一端与所述的相线A、B、C相连接，其另一端与所述的拨动转块221的一端相连接，在电力线出现短路时，所述电磁脱扣器3包括的衔铁将所述的拨动转块221拉动，使所述的动触块52和静触块51分开，使负载与电力线断开。但是这种保护功能是由所述的电磁脱扣器3自身的脱扣线圈的感应特性决定的。

综上现有的断路器仍然存在如下缺陷：

首先，无法对过流，过压故障实现负荷控制，从而给安全用电带来隐患；

其次，无法改变过流、过压的标准，即没法可调节的，根据不同的用电标准定义哪种情况属于不能允许的过流、过压故障，从而产生断路动作；

最后，对于某些用电设备的启动，发生电力线短时电压、电流过大现象时，断路器可能出现误判定，认为是过流或过压故障，从而造成线路断路。

目前还没有出现具体产品解决上述问题，这也成为一直困扰用电管理部门和用电户的难题。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得本创作。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种具有线路异常检测功能的负荷控制断路器，用以克服上述缺陷。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于，提供一种具有线路异常检测功能的负荷控制断路器，其包括一断路器本体，其对现有技术做出的贡献在于还包括：

一电压采集单元，其从所述的电力线路上获取各相线实时的电压信号并转为电压取样信号；

一电流采集单元，其从所述的电力线路上获取各相线实时的电流信号并转为电流取样信号；

一处理单元，其将与各相线对应的所述电压取样信号以及电流取样信号分别转换为实时的电压值和电流值，并分别与预先设置的电压阈值和电流阈值进行比较，在预先设定的延时时间内，始终存在高于所述的电压阈值和电流阈值任意之一的情况时，输出一控制信号；

一执行单元，其获取所述的控制信号后，使所述的断路器本体产生断路动作。

其中，所述的电压采集单元包括：

电压采样组件，其数量与所述的相数一致，并从所述的电力线上采集到实时的电压信号；

滤波整流电路，其接收所述的实时的电压信号，用以进行滤波整流，输出直流的电压取样信号。

较佳的，所述的电压采样组件为电压互感器，其数量与所述的相数一致，每一所述的电压互感器的一次侧的一端与一条相线相连接，另一端与零线相连接，其二次侧输出所述实时的电压信号。

较佳的，所述的电压采样组件为机械结构组件，其包括：

导电采样件，其数量与所述的相数一致，用以获取电力线上实时的电压信号，其通过直接接触金属电力线或透过绝缘皮直接接触电力线芯，获取电力线上实时的电压信号；

采样固定件，使所述的导电采样件与所述的电力线连接关系稳固。

其中，所述的电流采集单元包括：

电流互感器，其数量与所述的相数一致，其套设在对应的相线上；

滤波整流电路，其与所述的电流互感器的输出侧相连接，用以进行滤波整流，输出直流的电流取样信号。

为了为相应的电气元件提供电力供应，还包括：一电源电路包括：

多个整流二极管，每一所述整流二极管分别设置于相线上的，其输出端与零线之间形成电压差；

稳压子电路，其包括：降压电阻，其与所述的整流桥二极管输出端相串联用以降压；

一并联的稳压管、第一电容和第二电容用以进行稳压、滤波形成稳定的电源输出。

由于采用降压处理因此为了得到可靠信号，还包括：放大电路，其设置在所述的电压采样单元或电流采样子单元至少其中之一与所述的处理单元之间，用以将所述的电压取样信号和/或电流取样信号进行放大处理。

其中，所述的处理单元为一处理器，其检测信号输入端获取所述的电压取样信号以及电流取样信号；其控制命令输入端用以接收来自一控制命令输入电路输入的延时时间、电压阈值和电流阈值。

较佳的，所述的控制命令输入电路为一按键输入电路和一通信电路，其中，由所述的通信电路将电网运行多种参数传输给管理部门，同时也可以接受管理部门对用户的负荷进行调整，其输入的同一类数据的优先级别要高于所述的按键输入电路的优先级。

为对电路故障进行即时的处理，本发明还包括：一前置处理单元，用以检测是否发生短路故障，其包括：

多个干簧管，其数量与相数一致，分别设置在各所述的相线附近，所述的干簧管的一端接地，另一端与所述处理器的检测信号输入端相连接。

其中，所述的执行单元包括：

一电磁动作机构，其与所述的电源电路的输出端相连接，用以获取电力；所述的电磁动作机构触发后使所述的断路器本体的断路动作机构动作，产生断路器断路；

一执行触发电路，其接收端与所述的处理器的控制信号输出端相连接，其输出端与所述电磁动作机构的控制端相连接。

较佳的，所述的执行触发电路包括：

一三极管，其基极与所述的处理器的控制信号输出端相连接，其发射极接地；

一可控硅，其控制端与所述的三极管的集电极相连接，输出端与所述的电磁动作机构的控制端相连接。

其中，所述的电磁动作机构包括：

一电磁铁，其具有的电磁线圈一端与所述的电源电路输出端相连接，另一端与所述的三极管的发射极相连接；

所述的断路动作机构包括一拨动转块，其一拨动端与所述电磁铁的衔铁相抵靠，在所述的衔铁伸出运动时推动所述的拨动转块，使所述的拨动转块转动，从而使所述的断路器本体的断路动作机构动作，使所述断路器本体断路；

一复位弹簧，其套设在所述的拨动转块上，在所述的衔铁缩回时，使所述的拨动转块复位。

较佳的，还包括：存储电路和/或时钟电路与所述的处理器相连接。

与现有技术比较本发明的有益效果在于，首先，其能够对过流，过压故障实现负荷控制，降低了用电安全隐患；

其次，可以改变过流、过压的标准，从而适用于多种不同电流阈值和电压阈值的工作场合；

最后，对于某些用电设备的启动，发生电力线短时电压、电流过大现象时，断路器不会出现误判定，提高了断路的准确性。

附图说明

图1A为现有断路器的内机械部结构立体示意图；

图1B为现有断路器的内机械部A-A向剖视结构示意图；

图2为本发明具有线路异常检测功能的负荷控制断路器的功能结构框图；

图3为本发明具有线路异常检测功能的负荷控制断路器一较佳实施例的功能结构框图；

图4为本发明具有线路异常检测功能的负荷控制断路器一较佳实施例的机械结构示意图；

图5为本发明具有线路异常检测功能的负荷控制断路器前置单元的电路结构示意图；

图6A为本发明具有线路异常检测功能的负荷控制断路器电压采集单元中电压互感器取电压的电路结构示意图；

图6B为本发明具有线路异常检测功能的负荷控制断路器电压采集单元中直接取电压方式的结构示意图；

图7为本发明具有线路异常检测功能的负荷控制断路器电流采集单元的电路结构示意图；

图8为本发明具有线路异常检测功能的负荷控制断路器处理单元和执行单元的电路结构示意图；

图9为本发明具有线路异常检测功能的负荷控制断路器一较佳实施例出现异常状态下的机械结构示意。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

本发明中所提出的断路器本体指的是针对如图1A、图1B中现有技术中断路器将电磁脱扣器3拆除后剩下的，能够完成通断功能的主要机械结构。

请参阅图2所示，其为本发明具有线路异常检测功能的负荷控制断路器的功能结构框图；其包括一断路器本体，本发明对现有技术做出的贡献主要在于还包括：一电压采集单元a，其从所述的电力线路上获取各相线A、B、C实时的电压信号并转为电压取样信号；一电流采集单元b，其从所述的电力线路上获取各相线A、B、C实时的电流信号并转为电流取样信号，这里主要针对的是三相电路，当然两相或是单相也适用；一处理单元c，其将与各相线A、B、C对应的所述电压取样信号以及电流取样信号分别转换为实时的电压值和电流值，并分别与预先设置的电压阈值和电流阈值进行比较，在预先设定的延时时间内，如果实时的电压值和电流值始终存在高于所述的电压阈值和电流阈值任意之一的情况时，输出一控制信号；一执行单元d，其获取所述的控制信号后，使所述的断路器本体产生断路动作。

由于在所述的处理单元c中预先设置了电压阈值和电流阈值从而就有了标准，能够确定哪种过流和过压是不被允许的，从而产生断路动作，这里所述的处理单元c一般为处理器，其可以是单片机或是微处理器；同时对于现有技术中，用电设备启动时引起的短时间内电流过大、电压过大的问题，这里采用了延时判定的方式，即当用电设备正常工作，电压、电流值相对稳定后，如果电路中的电压、电流低于所述的电压阈值和电流阈值则不会产生断路动作，从而避免了误动作对正常用电的影响。

请参阅图3、图4所示，其分别为本发明具有线路异常检测功能的负荷控制断路器一较佳实施例的功能结构框图以及一较佳实施例的机械结构示意图；与上述功能结构框图图2以及图1A、图1B比较本实施例增加了新的结构和功能，如：一前置处理单元e，用以检测是否发生短路故障，在检测到短路故障时将检测信号传输给所述的处理单元c，然后由所述的处理单元c将所述的控制信号传输给所述的执行单元d，最终产生断路动作。

还增加设置了放大电路f1、f2，其分别与所述的电压采集单元a和电流采集单元b相对应，并设置于两者和所述处理单元c之间；当然也可以单一的针对于所述的电压采集单元a和电流采集单元b其中之一设置，这是由于通常电力相线A、B、C上的电压或是电流强度是比较大的，因此无论是电压采样还是电流采集之后的处理产生的信号量都进过降压，从而得到的信号比较弱，所以增加了所述的放大电路f1、f2用以放大信号。

进一步增加了存储电路h和时钟电路i至少其中之一，其分别与所述的处理单元c相连接，其中，所述的存储电路h用以存储相应的程序或是历史记录；所述的时钟电路i用以提供相应的时钟信号给所述的处理单元c，用以明确延时时间或是历史记录中事件的发生时间。

还增加了一控制命令输入电路k，其通常为一按键输入电路k1和一通信电路k2，其中，所述的通信电路k2是将远端用电管理部门的控制命令传输给所述的处理单元c，而所述的按键输入电路k1一般是给用户在用电现场使用的，因此所述的通信电路k2输入的数据的优先级别要高于所述的按键输入电路k1的优先级，这些控制命令主要是一类的可以是电压阈值、电流阈值或是延时时间，这些结构都是设置于断路器本体内的一控制板9上。

请参阅图5所示，其为本发明具有线路异常检测功能的负荷控制断路器前置单元的电路结构示意图；所述的前置处理单元是对短路故障进行即时的处理而设置的，因此首先要对短路是否发生进行检测，这里采用多个干簧管，其数量与相数一致，即三相就采用3个干簧管NS1、NS2、NS3，每一干簧管NS1、NS2、NS3分别设置在其对应的所述相线A、B、C附近，所述的干簧管NS1、NS2、NS3的一端接地，另一端与所述微处理器MCU的检测信号输入端Nsa、Nsb、Nsc相连接(参阅图8所示)。当检测到短路发生时，则在对应的相线A、B、C附近产生较强的磁场，从而使所述的干簧管NS 1、NS2、NS3至少其中之一吸合，从而所述的微处理器MCU的检测信号输入端Nsa、Nsb、Nsc至少其中之一获得一低电位信号，从而由所述的微处理器MCU控制所述的脱扣器TQ动作，从而使断路器产生断路动作。

请参阅图6A所示，其为本发明具有线路异常检测功能的负荷控制断路器电压采集单元中电压互感器采集电压的电路结构示意图；这里所述的电压采集单元和放大电路电路结合在一起，其中所述的电压采集单元包括：

电压采样组件，其数量与所述的相数一致，并从所述的电力线上采集到实时的电压信号；所述的电压采样组件为电压互感器Ta、Tb、Tc，每一所述的电压互感器Ta、Tb、Tc的一次侧的一端与一条相线A、B、C相连接，另一端与零线N相连接，其二次侧输出所述实时的电压信号。

滤波整流电路，其接收所述的实时的电压信号，用以进行滤波整流，输出直流的电压取样信号，其中所述的滤波电路是由三个二极管2D1、2D2、2D3和三个电容2C1、2C2、2C3组成，分别设置于每一所述的电压互感器Ta、Tb、Tc的二次侧。经过整流滤波处理后的电压信号通过放大电路IC2的放大，从而形成所述的电压取样信号。

当然上述是通过电压互感器Ta、Tb、Tc作为电压采样组件，另一实施方式可以通过直接取电压的方式进行处理；请参阅图6A所示，其为本发明具有线路异常检测功能的负荷控制断路器电压采集单元中直接取电压方式的结构示意图，这里所述的电压采样组件为机械结构组件，其包括：

导电采样件81，其数量与所述的相数一致，用以获取电力线上实时的电压信号，其通过直接接触金属相线A、B、C或透过绝缘皮直接接触相线A、B、C芯，获取电力线上实时的电压信号；

采样固定件82，使所述的导电采样件81与所述的电力线连接关系稳固。

请参阅图7所示，其为本发明具有线路异常检测功能的负荷控制断路器电流采集单元的电路结构示意图；所述的电流采样单元为电流互感器CT1、CT2、CT3，其数量与所述的相数一致，其套设在对应的相线A、B、C上(请参阅图5所示)，并通过一降压电阻1R1、1R2、1R3进行降压处理；

滤波整流电路，其与所述的电流互感器CT1、CT2、CT3的输出侧相连接，用以进行滤波整流，输出直流的电流取样信号，其中所述的滤波电路是三个由二极管1D1、1D2、1D3和三个电容1C1、1C2、1C3组成，分别设置于所述的降压电阻1R1、1R2、1R3的两端。经过整流滤波处理后的感应电压信号通过放大电路IC1的放大，从而形成所述的电流取样信号。

请参阅图8所示，其为本发明具有线路异常检测功能的负荷控制断路器处理单元和执行单元的电路结构示意图；所述的处理单元这里采用的是微处理器MCU，其检测信号输入端Iain、Ibin、Icin、Uain、Ubin、Ucin获取所述的电压取样信号以及电流取样信号；其控制命令输入端用以接收来自所述控制命令输入电路输入的延时时间、电压阈值和电流阈值，这里所述的键盘输入电路为按键K1、K2、K3、K4、K5其直接和所述微处理器MCU的控制命令输入端相连接，所述的通信电路、显示电路、时钟电路和所述微处理器MCU相连接。还包括一个电源电路，用以给本发明各用电元器件提供直流稳定的电力供应，其包括：

三个整流二极管D1、D2、D3，每一所述整流二极管D1、D2、D3分别设置于相线A、B、C上，其输出端与零线N之间形成电压差；

稳压子电路，其包括：降压电阻R1，其与所述的整流桥二极管D1、D2、D3输出端相串联，用以降压；

一并联的稳压管DW1、第一电容C1和第二电容C2用以进行稳压、滤波形成稳定的电源输出。

所述的执行单元包括：

一电磁动作机构，其与所述的电源电路的输出端相连接，用以获取电力；所述的电磁动作机构触发后使所述的断路器本体的断路动作机构动作，产生断路器断路；

一执行触发电路，其接收端与所述的微处理器MCU的控制信号输出端相连接，其输出端与所述电磁动作机构的控制端相连接。

所述的执行触发电路包括：

一三极管Q1，其基极与所述的处理器微处理器MCU的控制信号输出端相连接，其发射极接地；

一可控硅SCR，其控制端与所述的三极管Q1的集电极相连接，输出端与所述的电磁动作机构的控制端相连接，当所述的实时电压值和电流值其中之一确认在延时时间内时钟高于所述的电压阈值或是电流阈值时，以及Nsa、Nsb、Nsc至少其中之一获得一低电位信号时，所述的处理器微处理器MCU的控制信号输出端输出低电位，从而使所述的可控硅SCR触发，从而使所述的电磁动作机构动作。

其中，所述的电磁动作机构请结合参阅图4所示，其包括：

一电磁铁TQ，其具有的电磁线圈TQXQ一端与所述的电源电路输出端相连接，另一端与所述的三极管Q1的发射极相连接；

所述的断路动作机构包括一拨动转块221，其一拨动端与所述电磁铁6的衔铁61相抵靠，在所述的衔铁61申出运动时抵推所述的拨动转块221，使所述的拨动转块221转动，从而使所述的断路器本体的断路动作机构动作，产生断路器断路动作；

一复位弹簧(图中未示)，其套设在所述的拨动转块221上，在所述的衔铁61缩回时，使所述的拨动转块221复位。

请参阅图9所示，其为本发明具有线路异常检测功能的负荷控制断路器一较佳实施例出现异常状态下的机械结构示意。其是与图4的正常使用状态相对应的，在出现过流、过压或是短路故障时，所述电磁铁6的衔铁61动作抵推所述的拨动转块221，使所述的拨动转块221转动，从而使所述的断路器本体的断路动作机构动作，最终使所述的动触块52和静触块51由接触状态转变为分离状态，从而起到保护作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (13)

1.一种具有线路异常检测功能的负荷控制断路器，其包括一断路器本体，其特征在于，还包括：

一电压采集单元，其从所述的电力线路上获取各相线实时的电压信号并转为电压取样信号；

一电流采集单元，其从所述的电力线路上获取各相线实时的电流信号并转为电流取样信号；

一处理单元，其将与各相线对应的所述电压取样信号以及电流取样信号分别转换为实时的电压值和电流值，并分别与预先设置的电压阈值和电流阈值进行比较，在预先设定的延时时间内，始终存在高于所述的电压阈值和电流阈值任意之一的情况时，输出一控制信号；

一执行单元，其获取所述的控制信号后，使所述的断路器本体产生断路动作；

一通讯单元，其将电网运行多种参数传输给管理部门，同时也可以接受管理部门对用户的负荷进行调整。

2.根据权利要求1所述的具有线路异常检测功能的负荷控制断路器，其特征在于，所述的电压采集单元包括：

电压采样组件，其数量与所述的相数一致，并从所述的电力线上采集到实时的电压信号；

滤波整流电路，其接收所述的实时的电压信号，用以进行滤波整流，输出直流的电压取样信号。

3.根据权利要求2所述的具有线路异常检测功能的负荷控制断路器，其特征在于，所述的电压采样组件为电压互感器，其数量与所述的相数一致，每一所述的电压互感器的一次侧的一端与一条相线相连接，另一端与零线相连接，其二次侧输出所述实时的电压信号。

4.根据权利要求2所述的具有线路异常检测功能的负荷控制断路器，其特征在于，所述的电压采样组件为机械结构组件，其包括：

导电采样件，其数量与所述的相数一致，用以获取电力线上实时的电压信号，其通过直接接触金属电力线或透过绝缘皮直接接触电力线芯，获取电力线上实时的电压信号；

采样固定件，使所述的导电采样件与所述的电力线连接关系稳固。

5.根据权利要求1所述的具有线路异常检测功能的负荷控制断路器，其特征在于，所述的电流采集单元包括：

电流互感器，其数量与所述的相数一致，其套设在对应的相线上；

滤波整流电路，其与所述的电流互感器的输出侧相连接，用以进行滤波整流，输出直流的电流取样信号。

6根据权利要求1-5任意一项所述的具有线路异常检测功能的负荷控制断路器，其特征在于，还包括：一电源电路，用以从电力线上获取电力供应，其包括：

多个整流二极管，每一所述整流二极管分别设置于一条相线上的，其输出端与零线之间形成电压差；

稳压子电路，其包括：降压电阻，其与所述的整流桥二极管输出端相串联用以降压；

一并联的稳压管、第一电容和第二电容用以进行稳压、滤波形成稳定的电源输出。

7.根据权利要求6所述的具有线路异常检测功能的负荷控制断路器，其特征在于，还包括：放大电路，其设置在所述的电压采样单元或电流采样子单元至少其中之一与所述的处理单元之间，用以将所述的电压取样信号和/或电流取样信号进行放大处理。

8.根据权利要求1所述的具有线路异常检测功能的负荷控制断路器，其特征在于，所述的处理单元为一处理器，其检测信号输入端获取所述的电压取样信号以及电流取样信号；其控制命令输入端用以接收来自一控制命令输入电路输入的延时时间、电压阈值和电流阈值。

9.根据权利要求8所述的具有线路异常检测功能的负荷控制断路器，其特征在于，所述的控制命令输入电路为一按键输入电路和一通信电路，其中，由所述的通信电路输入的同一类数据的优先级别要高于所述的按键输入电路的优先级。

10.根据权利要求8所述的具有线路异常检测功能的负荷控制断路器，其特征在于，还包括：一前置处理单元，用以检测是否发生短路故障，其包括：

多个干簧管，其数量与相数一致，分别设置在各所述的相线附近，所述的干簧管的一端接地，另一端与所述处理器的检测信号输入端相连接。

11.根据权利要求8所述的具有线路异常检测功能的负荷控制断路器，其特征在于，所述的执行单元包括：

一电磁动作机构，其与所述的电源电路的输出端相连接，用以获取电力，所述的电磁动作机构触发后使所述的断路器本体的断路动作机构动作，产生断路器断路；

一执行触发电路，其接收端与所述的处理器的控制信号输出端相连接，其输出端与所述电磁动作机构的控制端相连接。

12.根据权利要求11所述的具有线路异常检测功能的负荷控制断路器，其特征在于，所述的执行触发电路包括：

一三极管，其基极与所述的处理器的控制信号输出端相连接，其发射极接地；

一可控硅，其控制端与所述的三极管的集电极相连接，输出端与所述的电磁动作机构的控制端相连接。

13.根据权利要求11所述的具有线路异常检测功能的负荷控制断路器，其特征在于，所述的电磁动作机构包括：

一电磁铁，其具有的电磁线圈一端与所述的电源电路输出端相连接，另一端与所述的三极管的发射极相连接；

所述的断路动作机构包括一拨动转块，其一拨动端与所述电磁铁的衔铁相抵靠，在所述的衔铁伸出运动时推动所述的拨动转块，使所述的拨动转块转动，从而使所述的断路器本体的断路动作机构动作，使所述断路器本体断路；

一复位弹簧，其套设在所述的拨动转块上，在所述的衔铁缩回时，使所述的拨动转块复位。

14.根据权利要求13所述的具有线路异常检测功能的负荷控制断路器，其特征在于，还包括：存储电路和/或时钟电路与所述的处理器相连接。

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